Теория сигналов и психические процессы

Теория сигналов является центральной в кибернетике. Ее основными понятиями являются управляющий контур и информация. Управляющий контур - это система управления технического или биологического объекта, которая включает в себя ряд механизмов, обеспечивающих процесс управления от момента получения сигнала до выполнения соответствующего действия. Принято разделять разомкнутые, или открытые, и замкнутые управляющие контуры. К разомкнутым управляющим контурам относятся системы, способные лишь к ответному действию, заложенному программой, без ее корректировки. В большинстве случаев при разомкнутом управляющем контуре контроль над выполняемым действием самой системой не осуществляется. Как правило, данный вариант управляющего контура является частным случаем более сложного закрытого управляющего контура. Закрытый управляющий контур включает в себя структурные элементы, которые обеспечивают контроль над выполнением действия до его полного завершения, и при необходимости выполняют корректировку действия в зависимости от условий, в которых Это действие выполняется. Для осуществления процесса управления по принципу замкнутого контура система должна иметь ряд функциональных элементов

управления, таких как блок приема и передачи информации, блок хранения информации, программный блок, блок сличения эталонов и результатов выполнения действия, блок оценки ситуации, блок принятия решения, блок выдачи команд на выполнение действий и др.

Н. Винер считает, что живой организм управляется по общим принципам. Для этого у него есть все необходимое, вплоть до морфологического строения отдельных органов и систем. Например, такова морфология нейрона. Нейрон имеет функциональный блок входа информации - дендрит; центральный, интегрирующий блок - тело нейрона; блок выхода - аксон. Следовательно, морфологическое строение и функциональная организация живого организма имеют природную предрасположенность к тому, чтобы осуществлять саморегуляцию по общекибернетическим принципам.

Следует отметить, что в регуляции живых организмов встречаются оба контура. Рефлекторная дуга по своей сути является разомкнутым контуром. Действием рефлекторной дуги можно объяснить простейшие действия. Например, инстинктивное отдергивание руки при прикосновении к горячему предмету. Более сложные действия имеют более сложную систему управления, реализующуюся по принципу замкнутого управляющего контура. Вариантом такого контура в биологических объектах является рефлекторное кольцо. Однако включение любого из управляющих контуров вызвано получением организмом соответствующей информации. Что же такое информация? Какова ее природа? Давайте постараемся ответить на эти вопросы.

Первоначально термин «информация» рассматривался как технический термин. В дальнейшем это понятие получило более обобщенный смысл. Н. Винер пишет; «Информация - это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств. Процесс получения и использования информации является процессом нашего приспособления к случайностям внешней среды и нашей жизнедеятельности в этой среде…».

Таким образом, то знание о чем-либо или о ком-либо, которое мы получаем, и есть информация. Человек обладает двумя способами получения информации об окружающем его мире и явлениях объективной действительности. Это, во-первых, непосредственное чувственное восприятие и, во-вторых, это мышление, или опосредованное восприятие. Рассмотрим более подробно первый канал получения информации.

Для чувственного восприятия источником информации являются все окружающие человека предметы, способные воздействовать на его органы чувств. Одновременно на наши органы чувств оказывают воздействие десятки и сотни предметов. Эти объекты реального мира составляют для нас своеобразное сенсорное поле, которое может быть представлено в виде множества элементов источника информации (А). Однако эта информация является информацией только для того, для кого она может быть источником определенных знаний. Следовательно, источник информации и носитель информации - это понятия не только не тождественные, но и существующие раздельно, хотя они тесно взаимосвязаны друг с другом. Поэтому феномен информации может быть представлен как отображение множества

Рис.2. Тождество двух множеств, как условие существования информации.

элементов источника информации во множество состояний носителя информации (В). При этом множество В должно быть тождественно множеству А (рис. 2). Но если мы заговорили о тождестве множеств, то должны отдавать себе отчет в том, что источник информации имеет определенные характеристики, воспринимаемые носителем информации. Что это за характеристики? Какие из них являются наиболее значимыми для человека или другого живого организма?

Независимо от модальности источника информации и его значимости для непосредственного объекта, воспринимающего данную информацию, существуют характеристики, свойственные для всех информационных источников физического мира - это время и место, занимаемое ими в пространстве. Действительно, пространственно-временные характеристики присущи всем объектам внешней среды, которые являются для живого организма потенциальным источником информации. Однако, как вы помните, все окружающие нас объекты могут выступать или как предмет, или как фон. Почему происходит выделение определенного объекта в качестве предмета? Почему мы в состоянии отвлечься от шума или помех, которые создают окружающие нас объекты, и выделить из поступающих к нам сигналов внешней среды именно те, которые имеют для нас информационную значимость. Одна из причин - субъективная значимость объекта для человека. Но помимо этого существуют и физические характеристики объекта, которые позволяют нам выделить его из окружающей среды. К их числу относятся количество информации и форма сигнала.

Представьте, что идут занятия в школе. Дети сосредоточены на выполнении задания. Вдруг их внимание было привлечено каким-то звуком. Почему это произошло? Видимо, звук, который они услышали, был чем-то не похож на другие. Например, своей пространственной локализацией, или временем воздействия, а может быть, своими качественными характеристиками или интенсивностью проявления. Н. Винер считает, что главным отличием информации от шума, который порождают объекты внешней среды, является организация сигнала. Если шум - это хаос, то информация - это организация. Сигнал, воспринимаемый биологическим объектом как информация, имеет определенную пространственную и временную организацию. Мерой этой организации может выступать количество информации, что является количественным аспектом упорядоченности информации. Вместе с тем информация имеет и качественную характеристику. Такой качественной характеристикой является форма сигнала. В качестве иллюстрации приведем следующий пример. Представьте, что вы находитесь в темной комнате. Вдруг на дальней стене начинают светиться десятки ламп. На какие из них вы обратите внимание в первую очередь? Вероятно на те, которые имеют не такую интенсивность свечения, как большинство (количество информации), или на те, которые имеют особую форму подачи сигналов, отличающуюся от окружающих источников информации (качественная характеристика информации). Например, периодическая пульсация, или электромагнитные волны другой частоты, придающие источнику света другой цвет, или расположение источника в стороне от большинства других и т. д.

Однако все приведенные выше примеры и доводы наталкивают нас на один существенный вывод: количественно-качественные характеристики информации есть не что иное, как способ пространственно-временной организации сигнала. По мнению Н. Винера, именно пространственно-временная организация сигнала (упорядоченность) является тем линейным инвариантом многомерного физического мира, который позволяет добиться тождества между множеством элементов источника информации и множеством состояний носителя информации. Для реализации данного инварианта могут быть использованы всевозможные коды, которые не только позволяют записать многомерную информацию в линейном виде, но и обеспечивают изоморфизм между множеством элементов источника и множеством состояний носителя. В чем суть данного утверждения? Для того чтобы ее понять, приведем пример.

Когда мы с вами рассматривали ощущения, то говорили об их модальности и физической природе раздражителей, способных вызвать те или иные ощущения. В том числе мы рассмотрели природу слуховых ощущений. Как вы помните, раздражителем для органа слуха является звук, т. е. акустическая волна, вызванная колебаниями физического тела и свободно распространяющаяся в пространстве. Для нашего органа слуха она имеет вид одномерной, т. е. линейной, величины. Однако, достигнув органа слуха, эта акустическая волна предоставляет нам информацию не только о качественных параметрах звука (например, тембр, высота), но и о пространственных и временных характеристиках его источника. Мы осознаем, где в пространстве находится звук, какова длительность его звучания. Почему это происходит? Возможность получения подобной информации обусловлена не только физиологическими особенностями строения органа слуха, но и формой организации получаемого нами сигнала, который, имея одномерный вид, несет в себе информацию о многомерных характеристиках. Все это вместе и обеспечивает изоморфизм источника информации и состояний носителя информации.

Информация, которую мы получаем из внешнего мира, многогранна. Она содержит в себе знания о размерах физических объектов, расстоянии до них, характере их воздействия и о многом другом. Вся эта информация поступает в виде определенного линейного сигнала-кода и должна быть декодирована. Причем декодирование соответствующей информации, вероятно, должно осуществляться

Рис. 3. Шкалы, уровней изоморфизма (по Л. М. Веккеру)

на соответствующем уровне. Поэтому Л. М. Веккер говорит о существовании шкалы уровней изоморфизма (рис. 3). На каждом из данных уровней происходит обеспечение инварианта соответствующей пространственно-временной характеристики источника информации.

Другой вопрос, который возникает перед каждым исследователем проблемы взаимодействия биологического объекта и физического мира, заключается в том, как происходит перевод информации о физических объектах в психические образы. Каковы биологические и психические механизмы, обеспечивающие получение информации о внешней среде? Рассмотрим общие подходы к решению данных вопросов.

Как вы знаете, простейшим психическим процессом является ощущение. Ощущения - это та исходная область психических процессов, которая содержит в себе границу, разделяющую психические и допсихические явления. Ощущения возникают не сами по себе. Им предшествует ряд непсихических и допсихических процессов.

Рассматривая проблему ощущений, мы уже говорили о механизмах их возникновения, Для возникновения ощущений необходимо воздействие со стороны объектов реального мира. Это воздействие по характеру своего происхождения может быть механическим, химическим, электромагнитным, акустическим и др., т. е. непсихическим. Человек обладает органами чувств, которые приспособлены к восприятию определенного воздействия природных объектов. В результате такого взаимодействия органа чувств и природного объекта происходит кодирование информации о непсихическом воздействии в виде нервного возбуждения, т. е. в виде физиологического допсихического процесса, который, достигнув перцептивных полей, превращается в ощущения. Что собой представляет физиологическое возбуждение? На каких принципах основано кодирование нервного сигнала?

Физиология высшей нервной деятельности и нейрофизиология оперируют двумя основными понятиями - возбуждение и торможение, - которые обобщают представление о двух нервных процессах, существующих в коре головного мозга. Однако эмпирическая картина нейрофизиологической реальности не содержит показателей принципиальной разнородности электрофизиологического или физико-химического субстрата возбуждения и торможения. Это говорит о том, что по своей сути нейрофизиологическая активность нейронов едина. П. П. Марков пишет: «Есть ли кроме внутриклеточного процесса возбуждения еще внутриклеточный процесс торможения - вот в чем вопрос. Ведь импульсов торможения никто из нас никогда не видел, хотя все мы множество раз раздражениями блуждающего нерва останавливали бьющееся сердце». О единой природе процессов возбуждения и торможения говорил и И. М. Сеченов. Он писал: «Угнетение рефлексов есть продукт возбуждения, а не перевозбуждения каких-либо нервных механизмов». Аналогичной точки зрения на природу физиологических процессов придерживались А. А. Ухтомский и П. К. Анохин.

Итак, физиологические процессы едины по своей природе. Причем в настоящее время чаще всего встречается мнение о том, что физиологический процесс имеет физико-химическую природу, а нервный импульс является электрическим. Следовательно, воздействие физического объекта па орган чувств вызывает в последнем определенные физико-химические реакции, которые и порождают электрический импульс в нервных волокнах.

В современной нейрофизиологии принято выделять две основные, взаимосвязанные, но одноранговые, равноправные и самостоятельные формы нервного возбуждения, различающиеся по электрогенным характеристикам. Первая форма - это дискретное распространяющееся возбуждение, выраженное быстрым и потенциалами или пиками Вторая форма - непрерывное нераспространяющееся или локально распространяющееся возбуждение, выраженное медленными градуальными потенциалами, преимущественно генерируемыми в рецепторах, синапсах и центральных нейронах (рис. 4).

Первую форму возбуждения часто называют цифровым импульсом, поскольку его основным параметром электрической активности, который модулируется

Рис. 4. График дискретно-импульсивного возбуждения (А) и график вариантов градуального возбуждения (Б).

изменяющимися характеристиками раздражителя, является частота импульса. Основным количественным параметром данной формы возбуждения является количество импульсов за единицу времени, т. е. количество пиков за определенный отрезок времени, например за одну миллисекунду. Учитывая огромную скорость, с которой нервный импульс данного типа распространяется по нервным тканям (от 1 до 100 метров в секунду, в зависимости от диаметра нервных волокон), можно представить, насколько велик диапазон частот импульсов за единицу времени. Поэтому данная форма возбуждения, скорее всего, используется организмом для кодирования информации об интенсивности воздействия и других характеристик, которые могут быть закодированы в цифровом виде.

Вторую форму нервного возбуждения часто называют аналоговой. Ее основными электрофизическими параметрами являются амплитуда и длительность. Распространение данного типа возбуждения чаще всего связывают с движением раздражителя. Поэтому принято считать, что с помощью этой формы возбуждения происходит кодирование пространственно-временных характеристик раздражителя.

Таким образом, можно предположить, что принцип кодирования информации о воздействии объектов физического мира на биологический объект основывается на сочетании двух форм нервного возбуждения, имеющего физико-химическую, т. е. электрогенную природу. Следовательно, органы чувств живого организма являются тем «входным блоком» управляющего контура, в котором происходит кодирование непсихической информации в форму допсихических процессов, с помощью которых она доставляется в нервно-мозговые структуры, где п происходит ее трансформация в психические процессы. Вполне естественно, что трансформация допсихических процессов в психические должна осуществляться на основе декодирования зашифрованной в нервных импульсах информации. Как это происходит с точки зрения психофизики?

Поставив перед собой такой вопрос, мы подошли вплотную к той проблеме, которую решить пока не удается. В настоящее время нет объяснений тому, как физические процессы превращаются в психические образы. Мы можем высказать лишь предположения о том, как это происходит.

Так, мы знаем, что определенные органы чувств, способные воспринимать энергию определенного типа, связаны с определенными сенсорными полями. Вероятно, нервный импульс, достигая соответствующего участка коры, декодируется в виде соответствующей сенсорной информации. Для зрительных сенсорных полей это свет, для слуховых зон - звук и т. д. Подтверждением такого предположения являются опыты по электростимуляции различных участков коры головного мозга. Например, электростимуляция зрительных полей коры головного мозга вызывает у испытуемых образы света, а стимуляция слуховых полей - звуковые образы.

Как вы знаете, кроме модальности ощущения характеризуются пространственно-временными параметрами и интенсивностью. К числу пространственных характеристик относится локализация объекта, а к временным характеристикам - длительность воздействия раздражителя. Можно предположить, что для получения подобной информации в сенсорных полях коры головного мозга при декодировании поступающего сигнала учитывается не только характер нервного импульса, но и координаты нервного окончания, с которого поступил данный сигнал. Более того, при формировании информации о пространственных характеристиках раздражителя, вероятно, учитываются не только координаты нервных окончаний, но и интенсивность воздействия раздражителя на каждое из этих окончаний.

Еще более сложны механизмы формирования целостного перцептивного образа. Одним из первых исследований, посвященных процессу формирования перцептивного образа, была работа Н. Н. Ланге «Закон перцепции» (1894). В ходе экспериментальных исследований ему удалось установить, что от момента восприятия неопределенной структуры до полного адекватного отображения конкретной формы предмета объективно существует ряд фаз.

Истинность данного утверждения была доказана экспериментальными исследованиями перцептогенеза, проводимыми сотрудниками В. М. Бехтерева, а затем продолженными Б. Г. Ананьевым и М. Д. Александровой. Данные всех этих работ были подвергнуты многосторонней проверке Б. Ф. Ломовым. В результате была получена последовательность развертывания различных пространственных компонентов образа отдельного тест-объекта. Всего было выделено пять фаз:

1. Различение положения предмета и грубая оценка его общих пропорций.

2. Мерцание формы.

3. Различение резких перепадов кривизны.

4. Глобально-адекватное восприятие, в котором форма представлена без различения ее деталей (в частности, величин углов).

5. Адекватное отражение формы во всей полноте деталей ее контура. Последовательность данных фаз была выявлена при применении четырех независимых методик (изменения дистанции, положения объекта в поле зрения, освещенности и времени экспозиции). Аналогичные результаты были получены Л. М. Веккером при анализе формирования перцептивного образа при улучшении условий восприятия, т. е. при снятии внутренних помех.

Следует отметить, что при возникновении адекватного перцептивного образа предмета отражаются не только его очертания. В перцептивном образе реального объекта одновременно отражаются все его пространственно-временные характеристики.Как вы знаете, ощущения отражают лишь отдельные признаки и характеристики объекта реального мира, такие как цвет, форма и др. Для возникновения целостного перцептивного образа необходимо, чтобы все признаки и характеристики предмета воспринимались одновременно или в строгой последовательности. Можно предположить, что сенсорный уровень в первую очередь отражает отдельные пространственные характеристики предмета. В отличие от сенсорного, перцептивный уровень обеспечивает адекватное отражение временных характеристик за счет симультанного охвата разных элементов внутренней метрики данного объекта.

Таким образом, у нас есть все основания предполагать, что сенсорно-перцептивная система, с точки зрения кибернетики, является блоком расшифровки, или декодирования, поступающей информации. Ее функции заключаются в осуществлении перекодировки нервного импульса в психический образ и в обеспечении изоморфизма на уровне перцептивного образа. При этом вполне вероятно, что пространственные характеристики извлекаются при достижении нервного возбуждения сенсорных полей, а временные характеристики декодируются на уровне интегративных нолей.

Следовательно, приведенный выше материал предоставляет нам доказательство того, что так называемые контуры управления, рассматриваемые в кибернетике, имеют место и в живых объектах. В живых организмах можно выделить определенные структуры, выполняющие управленческие функции аналогично сложным техническим системам. Среди этих структур можно выделить блоки приема и преобразования информации, сличения результатов действия и др. С подобной системой управления мы познакомимся более подробно в последующих главах при изучении работ Н. А. Бернштейна, посвященных психофизиологическим механизмам организации движений и формирования двигательных навыков.

Однако вряд ли можно объяснить регуляцию мотивированного поведения человека лишь существованием контуров управления. Дело в том, что в поведении человека есть факты, которые не могут быть подведены под унифицированный контур управления. Например, почему в одних и тех же условиях разные люди совершают не только разные, но даже противоположные по содержанию поступки. Вероятно, с позиции кибернетической науки это можно объяснить существованием различных «жизненных программ», отражающих ценности того или иного человека. Тогда возникает вопрос о том, как происходит формирование этих программ.

Предприняв попытку поиска ответа на данный вопрос, мы можем столкнуться с крайне противоположными точками зрения. С одной стороны, мы можем столкнуться с позицией бихевиоризма, которая объясняет поступки человека системой воздействий и ответных реакций. Но мы знаем, что психика человека активна по своей природе. Поэтому объяснение с позиции бихевиоризма вряд ли нас удовлетворит.

С другой стороны, «жизненная программа» человека может рассматриваться как его судьба, как его жизненное предначертание, которое дается высшими силами. Значительная часть религиозных учений рассматривает человека именно с этой точки зрения, как пассивного созерцателя, от которого ничего не зависит. В то же время другие религиозные учения признают за человеком право выбора, т. е. частично соглашаются с его активной природой и автономий. Следовательно, формирование жизненных программ, с их точки зрения, обеспечивается самим человеком.

Современная отечественная психологическая наука, отвечая на данный вопрос, считает что источник формирования программ деятельности человека необходимо искать в системе его отношений, в его «Я-концепции», в его сознании. Поэтому человек - это не какая-то биокибернетическая самоуправляемая система, а, прежде всего, саморазвивающаяся система, способная самостоятельно формировать срои жизненные программы. «Блок саморазвития», или «блок формирования стратегических программ», не входит в структуру контура управления и не рассматривается с позиции кибернетики. В лучшем случае в технической системе или организме животного имеют место блоки корректировки выполняемых программ. Причем в отношении животных данные программы имеют биологическую обусловленность, а у человека мотивированное поведение в первую очередь опосредовано социальными факторами, которые не имеют прямой генетической обусловленности.